CN114295492A - 岩体多场耦合旋切钻进测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置与方法。该岩体多场耦合旋切钻进测试装置包括外部框架、应力渗流施加***、温度施加***、钻机***和控制监测***。轴向液压油缸向岩体试件施加轴向围压，液体进入容水腔后对岩体试件施加侧向围压，液体穿过渗透薄膜对岩体试件施加渗流场；温度施加***用于对岩体试件施加温度场；钻机***穿过预留孔对岩体试件进行旋切；控制监测***处理钻杆***的钻进数据，该岩体多场耦合旋切钻进测试装置能够有效还原现场岩体所受的应力、渗流和温度环境，可以随钻获取岩体在应力场、渗流场和温度场多场耦合作用下的钻进参数，从而得到岩体的等效抗压强度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量。

Description

岩体多场耦合旋切钻进测试装置与方法

技术领域

本发明涉及土层或岩石的钻进技术领域，特别涉及一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置与方法。

背景技术

随着地下工程的迅速发展，工程建设过程中经常面临高应力、强渗流、高温等复杂条件，引起岩体物理力学性质和应力状态的改变，应力-渗流-温度多场耦合作用下的岩体物理力学性质研究显得尤为重要。数字钻探测试技术利用钻进速度、钻头转速、钻进压力和钻进扭矩随钻参数与岩体强度参数的相关性，能够实现岩体等效抗压强度、等效粘聚力、等效内摩擦角等强度参数的快速获取，大大提高了测试效率，可实现原位测试。但目前未见对于岩体应力-渗流-温度多场耦合作用下岩体强度参数实时获取的研究，因此，需要研发岩体应力-渗流-温度多场耦合旋切钻进测试***与方法，研究应力场-渗流场-温度场耦合作用下岩体强度参数随钻演化规律，为复杂条件下岩体力学参数原位获取提供理论与技术支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置，该岩体多场耦合旋切钻进测试装置能够有效还原现场岩体所受的应力、渗流和温度环境，可以随钻获取岩体在应力场、渗流场和温度场多场耦合作用下的钻进参数，从而得到岩体的等效抗压强度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量。

本发明还提供一种岩体钻进旋切测试的方法。

为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置。所述岩体多场耦合旋切钻进测试装置应用于岩体试件的旋切钻进测试，包括外部框架、应力渗流施加***、温度施加***、钻机***和控制监测***。所述外部框架包括试验平台、以及分别设置于所述试验平台上的侧壁和上座，所述上座开设有预留孔；所述应力渗流施加***包括轴向围压施加组件和渗流施加组件，所述围压施加组件包括底座和连接于所述底座上的轴向液压油缸，所述侧壁、所述上座和所述底座围设形成放置所述岩体试件的压力室，所述轴向液压油缸向所述岩体试件施加轴向围压以保持所述岩体试件不发生移动，所述渗流施加组件包括渗透薄膜，所述渗透薄膜与所述岩体试件的外壁贴合且与所述侧壁围设形成容水腔，以使液体进入所述容水腔后对所述岩体试件施加侧向围压，液体穿过所述渗透薄膜，以对所述岩体试件施加渗流场；所述温度施加***用于对所述岩体试件施加温度场；所述钻机***包括设置于所述上座上方的钻机推进组件和钻机组件，所述钻机组件穿过所述预留孔对所述岩体试件进行旋切，所述钻机推进组件连接于所述钻机组件远离所述岩体试件的一端，以驱动所述钻机组件钻进；所述控制监测***包括控制单元和监测单元，所述监测单元包括设置于所述钻机组件的扭矩传感器和设置于所述钻机推进组件的压力传感器，所述扭矩传感器和所述压力传感器分别与所述控制单元电连接，以处理所述钻机***的钻进数据，所述应力渗流施加***、所述温度施加***和所述钻机***分别与所述控制单元电连接。

根据本发明的一实施方式，其中，所述钻机推进组件包括第一伺服电机、螺纹杆和用于安装所述钻机组件的钻机架，所述第一伺服电机连接于所述外部框架上，所述螺纹杆连接于所述第一伺服电机，所述钻机架与所述螺纹杆螺纹连接，以将所述螺纹杆的旋转运动转换为所述钻机架的直线运动，所述压力传感器设置于所述螺纹杆上。

根据本发明的一实施方式，其中，所述钻机组件包括依次连接的第二伺服电机、传动轴、钻杆本体和钻头，所述第二伺服电机连接于所述钻机架上，所述扭矩传感器设置于所述传动轴和所述第二伺服电机之间。

根据本发明的一实施方式，其中，所述钻机***还包括连接于所述外部框架的钻杆稳定件，所述钻杆本体穿过所述钻杆稳定件，以增加所述钻杆本体旋切钻进时的稳定性。

根据本发明的一实施方式，其中，所述温度施加***为加热板，所述监测单元包括液压传感器和温度传感器，所述加热板设置于所述侧壁，以对所述容水腔内的液体进行加热，所述温度传感器与所述控制单元电连接，以监测液体的温度，所述液压传感器与所述控制单元电连接，以监测所述岩体试件的侧向围压。

根据本发明的一实施方式，其中，所述渗流施加组件还包括液体加压件、进水管和出水管，所述进水管连通所述液体加压件和所述容水腔的进水口，以对所述岩体试件施加侧向围压，所述出水管连通所述容水腔的出水口与所述液体加压件，以使所述岩体试件的侧向围压过大时进行卸压。

根据本发明的一实施方式，其中，所述渗流施加组件还包括进水控制阀和出水控制阀，所述进水控制阀设置于所述进水管内，所述出水控制阀设置于所述出水管内，所述温度传感器设置于所述进水控制阀和所述出水控制阀之间。

根据本发明的一实施方式，其中，所述温度传感器的数量为两个，一个所述温度传感器设置于所述进水控制阀和所述进水口之间，另一个所述温度传感器设置于所述出水控制阀和所述出水口之间。

根据本发明的一实施方式，其中，所述岩体多场耦合旋切钻进测试装置还包括设置于所述上座上方的集排水平台，所述集排水平台与所述预留孔连通，以使所述岩体试件在旋切钻进过程中产生的岩屑和液体经过所述预留孔排入所述集排水平台。

根据本发明的另一方面，提供了一种岩体多场耦合旋切钻进测试方法。所述方法包括在控制监测***内设定岩体试件的目标温度、轴向围压和侧向围压；将岩体试件放置于压力室内；液体进入容水腔内，加热板对液体进行加热至目标温度；保持岩体试件的温度，液体透过渗透薄膜在岩体试件周围形成稳定渗流；容水腔内的液体对岩体试件施加侧向围压，轴向液压油缸对岩体试件施加轴向围压；在控制监测***内设定钻进数据；钻机***对岩体试件进行旋切钻进；控制监测***实时监测和存储旋切钻进过程中的钻进参数；将钻进参数带入岩体旋切钻进反演模型，得到岩体等效抗压强度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量。

本发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：

本发明的岩体多场耦合旋切钻进测试装置包括应力渗流施加***和温度施加***，其中应力渗流施加***通过轴向液压油缸对岩体试件施加轴向围压，通过容水腔内的液体压力对岩体试件施加侧向围压，同时容水腔内的液体穿过渗透薄膜进入岩体试件的周围施加渗流场，通过侧壁外置的加热板对岩体试件施加温度场，能够有效还原现场岩体所受的应力、渗流和温度环境，保持岩体试件不发生位移和旋转的情况下，可以随钻获取岩体在应力场、渗流场和温度场多场耦合作用下的钻进参数，从而得到岩体的等效抗压强度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是根据一示例性实施方式示出的一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置的主视图。

图2是根据一示例性实施方式示出的一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置的左视图。

图3是根据一示例性实施方式示出的一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置的应力渗流施加***的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、外部框架；11、试验平台；111、滑轨；112、试件平台；113、滑轨固定扣；114、滑轨支撑柱；12、侧壁；13、上座；131、预留孔；14、爬梯；15、支撑立柱；2、应力渗流施加***；21、轴向围压施加组件；211、底座；212、轴向液压油缸；22、渗流施加组件；221、渗透薄膜；222、液体加压件；223、进水管；224、出水管；225、进水控制阀；226、出水控制阀；3、加热板；4、钻机***；41、钻机推进组件；411、第一伺服电机；412、螺纹杆；413、钻机架；4131、第一横梁；4132、第二横梁；42、钻机组件；421、第二伺服电机；422、传动轴；423、钻杆本体；424、钻头；43、钻杆稳定件；5、监测单元；51、扭矩传感器；52、压力传感器；53、温度传感器；54、转速传感器；55、液压传感器；6、集排水平台；7、压力室；8、容水腔；9、岩体试件。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

如图1至图3所示，图1示出了本发明提供的一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置的主视图。图2示出了本发明提供的一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置的左视图。图3示出了本发明提供的一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置的应力渗流施加***2的示意图。

本发明实施例的岩体多场耦合旋切钻进测试装置应用于岩体试件9的旋切钻进测试，包括外部框架1、应力渗流施加***2、温度施加***、钻机***4和控制监测***。外部框架1包括试验平台11、以及分别设置于试验平台11上的侧壁12和上座13，上座13开设有预留孔131；应力渗流施加***2包括轴向围压施加组件21和渗流施加组件22，围压施加组件包括底座211和连接于底座211上的轴向液压油缸212，侧壁12、上座13和底座211围设形成放置岩体试件9的压力室7，轴向液压油缸212向岩体试件9施加轴向围压以保持岩体试件9不发生移动，渗流施加组件22包括渗透薄膜221，渗透薄膜221与岩体试件9的外壁贴合且与侧壁12围设形成容水腔8，以使液体进入容水腔8后对岩体试件9施加侧向围压，液体穿过渗透薄膜221，以对岩体试件9施加渗流场；温度施加***用于对岩体试件9施加温度场；钻机***4包括设置于上座13上方的钻机推进组件41和钻机组件42，钻机组件42穿过预留孔131对岩体试件9进行旋切，钻机推进组件41连接于钻机组件42远离岩体试件9的一端，以驱动钻机组件42钻进；控制监测***包括控制单元和监测单元5，监测单元5包括设置于钻机组件42的扭矩传感器51和设置于钻机推进组件41的压力传感器52，扭矩传感器51和压力传感器52分别与控制单元电连接，以处理钻机***4的钻进数据，应力渗流施加***2、温度施加***和钻机***4分别与控制单元电连接。

其中，试验平台11放置于地面上，增加装置整体的稳定性，外部框架1还包括等间隔环设于试验平台11上的支撑立柱15，以保证钻机组件42旋切钻进测试过程中的竖向稳定性。侧壁12和上座13均通过螺钉固定连接在试验平台11上，且侧壁12和上座13围设形成压力室7，上座13为压力室7的顶壁，底座211为压力室7的底壁，使得压力室7为长方体或正方体等规则形状，轴向液压油缸212抵接于底座211上，在压力室7内设置渗透薄膜221，渗透薄膜221与侧壁12、上座13和底座211仪器围设形成容水腔8，岩体试件9放入压力室7后，渗透薄膜221与岩体试件9的外表面贴合，对容水腔8内充入液体，液体可以是水也可以是油，一部分水或油通过渗透薄膜221进入岩体试件9的周围，以在岩体试件9周围施加渗流场，来模拟地下工程中地下水对岩体的影响；通过温度施加***对液体进行加热，从而对岩体试件9进行加热，即施加温度场；容水腔8内的液体产生压力，并通过渗透薄膜221传递给岩体试件9，即对岩体试件9施加侧向围压，轴向液压油缸212的轴向压力首先作用在底座211上，通过底座211传递给岩体试件9，同时试件上方的上座13对岩体试件9形成约束，即对岩体试件9施加轴向围压，对岩体试件9同时施加的侧向围压和轴向围压构成了施加应力场。当钻机组件42向下钻进岩体试件9时，通过轴向液压油缸212对岩体试件9施加不同的轴向压力，进而抵消岩体试件9在钻进切削中所受到的来自钻机组件42的轴向压力，避免试件产生水平方向和竖直方向的位移，同时防止试件在钻进切削过程中发生转动。

优选地，渗透薄膜221的种类决定渗透的速度，通过不同种类的渗透薄膜221可以控制液体穿过渗透薄膜221的速度，以模拟地下水在不同地质中的渗水速度。控制单元包括逻辑控制器和功率放大器，逻辑控制器接受压力传感器52、扭矩传感器51、温度传感器53和液压传感器55等各种传感器的信号，并将之与设定值进行对比，并发出电压指令，经过功率放大器，精准控制岩体试件9所受的轴向围压和侧向围压、温度、以及钻机组件42的钻进速度、钻进转速和钻进压力。底座211、上座13和侧壁12之间的内侧布置变形密封垫片，使压力室7和容水腔8均具有良好的密封性，进而保证渗透压力有效施加。为了方便更换钻杆本体423和钻头424，外部框架1还包括设置于实验平台一侧的爬梯14，试验人员可以通过爬梯14在试验平台11上更换钻杆本体423和钻头424，还可以在试验完成后方便对集排水平台6进行清洗。

在本发明的一个优选实施例中，钻机推进组件41包括第一伺服电机411、螺纹杆412和用于安装钻机组件42的钻机架413，第一伺服电机411连接于外部框架1上，螺纹杆412连接于第一伺服电机411，钻机架413与螺纹杆412螺纹连接，以将螺纹杆412的旋转运动转换为钻机架413的直线运动，压力传感器52设置于螺纹杆412上。

如图1至图3所示，优选地，钻机架413包括第一横梁4131和第二横梁4132，钻机组件42的传动轴422连接于第一横梁4131，第一横梁4131连接于外部框架1，保证钻机组件42在钻进过程中的横向稳定性。由于钻机组件42较长，在第一横梁4131的下方设置第二横梁4132，钻机组件42的钻杆本体423连接于第二横梁4132，螺纹杆412由上至下依次穿过第一横梁4131和第二横梁4132，其中第一横梁4131和螺纹杆412螺纹连接，当第一伺服电机411带动螺纹杆412旋转时，第一横梁4131带着钻机组件42沿螺纹杆412的螺纹下降或上升，第二横梁4132则对螺纹杆412起到导向作用。

优选地，螺纹杆412等间隔环设于钻机组件42的周向上，每个螺纹杆412的顶端分别连接第一伺服电机411且分别设置一个压力传感器52，以监控这些螺纹杆412的压力是否保持一致，避免了钻机组件42在钻进过程中发生偏向。

在本发明的一个优选实施例中，钻机组件42包括依次连接的第二伺服电机421、传动轴422、钻杆本体423和钻头424，第二伺服电机421连接于钻机架413上，扭矩传感器51设置于传动轴422和第二伺服电机421之间。

如图1至图3所示，钻机***4分为钻机推进组件41和钻机组件42，其中钻机推进组件41部分对岩体试件9产生钻进压力，钻杆424和岩石试件9接触，扭矩由下至上依次传递至钻头424、钻杆本体423、传动轴422和扭矩传感器51，避免了传动轴422和扭矩传感器51之间的压力传递，进而保护了扭矩传感器51。

优选地，钻机组件42上还设置有转速传感器54，以对钻机组件42的钻头424的转速进行监测。

在本发明的一个优选实施例中，钻机***4还包括连接于外部框架1的钻杆稳定件43，钻杆本体423穿过钻杆稳定件43，以增加钻杆本体423旋切钻进时的稳定性。

如图1至图3所示，钻杆本体423被夹紧在钻杆稳定件43的中心，钻杆稳定件43的外周通过螺栓固定方式连接于试验平台11，使得钻杆稳定件43在钻进过程中能够减小钻杆本体423在水平方向的晃动。

在本发明的一个优选实施例中，温度施加***为加热板3，监测单元5包括液压传感器55和温度传感器53，加热板3设置于侧壁12，以对容水腔8内的液体进行加热，温度传感器53与控制单元电连接，以监测液体的温度，液压传感器55与控制单元电连接，以监测岩体试件9的侧向围压。

如图1至图3所示，温度传感器53和液压传感器55可以是设置在容水腔8内，还可以是设置在液体流经的管路上，能随时监测液体的温度和压力即可。加热板3通过对岩土试件周围的容水腔8内的液体直接加热进行温度场施加，控制单元的逻辑控制器接收温度传感器53监测的容水腔8内的液体温度，并与设定的目标温度进行比较，若温度不同则进行调整，进而实现容水腔8内液体温度的动态调节，同理逻辑控制器还接收液压传感器55监测的容水腔8内的压力，并与设定的侧向围压进行比较，实现岩体试件9所受的侧向围压的动态调节。另外，通过对容水腔8内的液体压力进行控制，还可以对岩体试件9施加不同的渗透压力，进而控制液体通过渗透薄膜221的渗透量。

在本发明的一个优选实施例中，渗流施加组件22还包括液体加压件222、进水管223和出水管224，进水管223连通液体加压件222和容水腔8的进水口，以对岩体试件9施加侧向围压，出水管224连通容水腔8的出水口与液体加压件222，以使岩体试件9的侧向围压过大时进行卸压。

如图1至图3所示，液体加压件222、进水管223、容水腔8和出水管224依次连通，形成一个循环的液体压力装置，当容水腔8内的压力过低时，液体通过液体加压件222和进水管223进入容水腔8后可以增加压力，进而增加对岩体试件9的侧向围压，当液压传感器55监测到容水腔8内压力过高时，液体则通过出水管224进入液体加压件222，从而完成容水腔8内的液体卸压。

在本发明的一个优选实施例中，渗流施加组件22还包括进水控制阀225和出水控制阀226，进水控制阀225设置于进水管223内，出水控制阀226设置于出水管224内，温度传感器53设置于进水控制阀225和出水控制阀226之间。

如图1至图3所示，进水控制阀225和出水控制阀226可以是人工控制，更可以是和控制单元电连接，液体通过进水控制阀225进入容水腔8，并通过侧渗透薄膜221作用于岩体试件9的周围，渗透压力过高可通过调节出水控制阀226释放压力，渗透压力过低通过调节进水控制阀225进行增加渗透压力。

在本发明的一个优选实施例中，温度传感器53的数量为两个，一个温度传感器53设置于进水控制阀225和进水口之间，另一个温度传感器53设置于出水控制阀226和出水口之间。

如图1至图3所示，在进水控制阀225和进水口之间设置一个温度传感器53，在出水控制阀226和出水口之间设置一个温度传感器53，通过控制单元随时监测两处的温度是否一致，同时在这两处还分别设置液压传感器55，以检查这两处的压力是否一致，如温度和压力分别不一致，则需检查进水控制阀225和出水控制阀226是否漏气，或者是需要排除存在其他一些影响温度和压力的故障。

在本发明的一个优选实施例中，岩体多场耦合旋切钻进测试装置还包括设置于上座13上方的集排水平台6，集排水平台6与预留孔131连通，以使岩体试件9在旋切钻进过程中产生的岩屑和液体经过预留孔131排入集排水平台6。

如图1至图3所示，当钻杆组件钻进时，钻进过程中产生的岩屑和液体被侧向围压和轴向围压所挤压，进而排入预留孔131处的集排水平台6，集排水平台6汇集试验过程中产生的水和岩屑后，最终在试验结束后通过集排水平台6的底部排出。

在本发明的一个优选实施例中，为方便岩体试件9在实验前的安放和试验完成后取出，在试验平台11上设置滑轨111和试件平台112，侧壁12和上座13连接于试件平台112上，试件平台112通过滑轨固定扣113固定于滑轨111上，试件平台112可以在滑轨111上水平移动，滑轨支撑柱114为滑轨111延伸出试验平台11的外部段提供支撑，增加滑轨111的稳定性。

本发明的岩体多场耦合旋切钻进测试装置包括应力渗流施加***2和温度施加***，其中应力渗流施加***2通过轴向液压油缸212对岩体试件9施加轴向围压，通过容水腔8内的液体压力对岩体试件9施加侧向围压，同时容水腔8内的液体穿过渗透薄膜221进入岩体试件9的周围施加渗流场，通过侧壁12外置的加热板3对岩体试件9施加温度场，能够有效还原现场岩体所受的应力、渗流和温度环境，保持岩体试件9不发生位移和旋转的情况下，可以随钻获取岩体在应力场、渗流场和温度场多场耦合作用下的钻进参数，从而得到岩体的等效抗压强度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量。

本发明实施例的一种岩体多场耦合旋切钻进测试方法。该方法包括：在控制监测***内设定岩体试件9的目标温度、轴向围压和侧向围压；将岩体试件9放置于压力室7内；液体进入容水腔8内，加热板3对液体进行加热至目标温度；保持岩体试件9的温度，液体透过渗透薄膜221在岩体试件9周围形成稳定渗流；容水腔8内的液体对岩体试件9施加侧向围压，轴向液压油缸212对岩体试件9施加轴向围压；在控制监测***内设定钻进数据；钻机***4对岩体试件9进行旋切钻进；控制监测***实时监测和存储旋切钻进过程中的钻进参数；将钻进参数带入岩体旋切钻进反演模型，得到岩体等效抗压强度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量。

其中，将岩体试件9放置于压力室7中，通过滑轨111将试件平台112推入到指定位置，由滑轨固定扣113固定在试验平台11上。液体进入容水腔8，由于侧壁12的导热性，侧壁12外置的加热板3可以通过侧壁12对容水腔8内的液体进行加热，温度传感器53即时将温度信号传递至控制单元，由控制单元控制加热至目标温度，保持温度后，通过渗透薄膜221对试件施加水流量和相应的水压力，以在岩体试件9的周围形成稳定渗流，然后通过控制单元控制轴向液压油缸212对岩体试件9施加轴向围压，同时控制容水腔8内的液体对岩体试件9施加侧向围压，进而完成对岩体试件9所施加的应力场、渗流场和温度场，通过第一伺服电机411驱动钻机组件42整体上下升降，为钻机组件42提供竖直向下的钻进压力，控制单元可以精确控制钻头424的旋切钻进位移量，在控制单元中可以设定钻机组件42的钻进速度和钻头424转速两个数据，还可以是设定钻进压力和钻头424转速，选择其中一组数据进行设定，钻机组件42即可对应力-渗流-温度多场耦合作用下的岩体试件9进行旋切钻进，通过扭矩传感器51监测钻进扭矩，转速传感器54监测钻头424转速，压力传感器52监测钻进压力，钻进速度通过螺纹杆412的位移除以时间得出。钻进试验结束后，抬升钻机组件42，通过滑轨111推出试件平台112，将岩体试件9从压力室7取出，清理试验台，对所收集的钻进扭矩、钻头424转速、钻进压力和钻进速度实验数据进行处理，分析随钻参数的变化规律，完成多场耦合作用下岩体参数旋切钻进测试试验。将监测得到的钻进扭矩、钻头424转速、钻进压力和钻进速度带入岩体旋切钻进反演模型，得到岩体等效抗压强度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量。

本发明的多场耦合旋切钻进测试方法，通过轴向液压油缸212对岩体试件9施加轴向围压，通过容水腔8内的液体压力对岩体试件9施加侧向围压，同时容水腔8内的液体穿过渗透薄膜221进入岩体试件9的周围施加渗流场，通过侧壁12外置的加热板3对岩体试件9施加温度场，能够有效还原现场岩体所受的应力、渗流和温度环境，保持岩体试件9不发生位移和旋转的情况下，可以随钻获取岩体在应力场、渗流场和温度场多场耦合作用下的钻进参数，从而得到岩体的等效抗压强度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量。

在本发明实施例中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可折卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明实施例的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一个优选实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明实施例的优选实施例而已，并不用于限制本发明实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置，应用于岩体试件（9）的旋切钻进测试，其特征在于，包括：

外部框架（1），包括试验平台（11）、以及分别设置于所述试验平台（11）上的侧壁（12）和上座（13），所述上座（13）开设有预留孔（131）；

应力渗流施加***（2），包括轴向围压施加组件（21）和渗流施加组件（22），所述围压施加组件包括底座（211）和连接于所述底座（211）上的轴向液压油缸（212），所述侧壁（12）、所述上座（13）和所述底座（211）围设形成放置所述岩体试件（9）的压力室（7），所述轴向液压油缸（212）向所述岩体试件（9）施加轴向围压以保持所述岩体试件（9）不发生移动，所述渗流施加组件（22）包括渗透薄膜（221），所述渗透薄膜（221）与所述岩体试件（9）的外壁贴合且与所述侧壁（12）围设形成容水腔（8），以使液体进入所述容水腔（8）后对所述岩体试件（9）施加侧向围压，液体穿过所述渗透薄膜（221），以对所述岩体试件（9）施加渗流场；

温度施加***，用于对所述岩体试件（9）施加温度场；

钻机***（4），包括设置于所述上座（13）上方的钻机推进组件（41）和钻机组件（42），所述钻机组件（42）穿过所述预留孔（131）对所述岩体试件（9）进行旋切，所述钻机推进组件（41）连接于所述钻机组件（42）远离所述岩体试件（9）的一端，以驱动所述钻机组件（42）钻进；以及

控制监测***，包括控制单元和监测单元（5），所述监测单元（5）包括设置于所述钻机组件（42）的扭矩传感器（51）和设置于所述钻机推进组件（41）的压力传感器（52），所述扭矩传感器（51）和所述压力传感器（52）分别与所述控制单元电连接，以处理所述钻机***（4）的钻进数据，所述应力渗流施加***（2）、所述温度施加***和所述钻机***（4）分别与所述控制单元电连接。

2.根据权利要求1所述的岩体多场耦合旋切钻进测试装置，其特征在于，所述钻机推进组件（41）包括第一伺服电机（411）、螺纹杆（412）和用于安装所述钻机组件（42）的钻机架（413），所述第一伺服电机（411）连接于所述外部框架（1）上，所述螺纹杆（412）连接于所述第一伺服电机（411），所述钻机架（413）与所述螺纹杆（412）螺纹连接，以将所述螺纹杆（412）的旋转运动转换为所述钻机架（413）的直线运动，所述压力传感器（52）设置于所述螺纹杆（412）上。

3.根据权利要求2所述的岩体多场耦合旋切钻进测试装置，其特征在于，所述钻机组件（42）包括依次连接的第二伺服电机（421）、传动轴（422）、钻杆本体（423）和钻头（424），所述第二伺服电机（421）连接于所述钻机架（413）上，所述扭矩传感器（51）设置于所述传动轴（422）和所述第二伺服电机（421）之间。

4.根据权利要求3所述的岩体多场耦合旋切钻进测试装置，其特征在于， 所述钻机***（4）还包括连接于所述外部框架（1）的钻杆稳定件（43），所述钻杆本体（423）穿过所述钻杆稳定件（43），以增加所述钻杆本体（423）旋切钻进时的稳定性。

5.根据权利要求1所述的岩体多场耦合旋切钻进测试装置，其特征在于，所述温度施加***为加热板（3），所述监测单元（5）包括液压传感器（55）和温度传感器（53），所述加热板（3）设置于所述侧壁（12），以对所述容水腔（8）内的液体进行加热，所述温度传感器（53）与所述控制单元电连接，以监测液体的温度，所述液压传感器（55）与所述控制单元电连接，以监测所述岩体试件（9）的侧向围压。

6.根据权利要求5所述的岩体多场耦合旋切钻进测试装置，其特征在于，所述渗流施加组件（22）还包括液体加压件（222）、进水管（223）和出水管（224），所述进水管（223）连通所述液体加压件（222）和所述容水腔（8）的进水口，以对所述岩体试件（9）施加侧向围压，所述出水管（224）连通所述容水腔（8）的出水口与所述液体加压件（222），以使所述岩体试件（9）的侧向围压过大时进行卸压。

7.根据权利要求6所述的岩体多场耦合旋切钻进测试装置，其特征在于，所述渗流施加组件（22）还包括进水控制阀（225）和出水控制阀（226），所述进水控制阀（225）设置于所述进水管（223）内，所述出水控制阀（226）设置于所述出水管（224）内，所述温度传感器（53）设置于所述进水控制阀（225）和所述出水控制阀（226）之间。

8.根据权利要求7所述的岩体多场耦合旋切钻进测试装置，其特征在于，所述温度传感器（53）的数量为两个，一个所述温度传感器（53）设置于所述进水控制阀（225）和所述进水口之间，另一个所述温度传感器（53）设置于所述出水控制阀（226）和所述出水口之间。

9.根据权利要求1所述的岩体多场耦合旋切钻进测试装置，其特征在于，还包括设置于所述上座（13）上方的集排水平台（6），所述集排水平台（6）与所述预留孔（131）连通，以使所述岩体试件（9）在旋切钻进过程中产生的岩屑和液体经过所述预留孔（131）排入所述集排水平台（6）。

10.一种岩体多场耦合旋切钻进测试方法，其特征在于，包括：

在控制监测***内设定岩体试件（9）的目标温度、轴向围压和侧向围压；

将岩体试件（9）放置于压力室（7）内；

液体进入容水腔（8）内，加热板（3）对液体进行加热至目标温度；

保持岩体试件（9）的温度，液体透过渗透薄膜（221）在岩体试件（9）周围形成稳定渗流；

容水腔（8）内的液体对岩体试件（9）施加侧向围压，轴向液压油缸（212）对岩体试件（9）施加轴向围压；

在控制监测***内设定钻进数据；

钻机***（4）对岩体试件（9）进行旋切钻进；

控制监测***实时监测和存储旋切钻进过程中的钻进参数；

将钻进参数带入岩体旋切钻进反演模型，得到岩体等效抗压强度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量。

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